Высоковольтные разъемы GES Electronic & Service

     По оценкам специалистов, 50% отказов электроаппаратуры происходит из-за недостаточного качества электрических соединителей. Учитывая современную тенденцию постоянного усложнения аппаратуры, компании-производители ведут непрерывную работу над повышением надежности электрических разъемов. В обзорной статье рассматривается продукция компании GES Electronic & Service, длительное время занимающейся разработкой одно- и многоконтактных высоковольтных разъемов, а также популярных в настоящее время гибридных соединителей.

 

Константин Верхулевский

 

Введение. Основные тенденции в производстве соединителей

Нередко возникают случаи, даже у опытных раз­работчиков, когда, казалось бы, полностью продуман­ная реализация какого-нибудь устройства выходит из строя из-за достаточно простого компонента — электрического разъема. Однако это простота кажу­щаяся: к высоконадежным разъемам предъявляется множество требований, зависящих от области их при­менения. Они обязаны иметь высокую прочность электрической изоляции и пожаробезопасность, стабильно функционировать при воздействии атмо­сферных осадков, вибрации и механических ударов, при повышенных либо пониженных температурах и давлении, а также в условиях агрессивных сред. Определяющими же требованиями являются качество и долговременная надежность электрического соеди­нения. Перечисленные требования лишь в общей сте­пени характеризуют условия эксплуатации электри­ческих разъемов и их рабочие характеристики, но до­статочно верно оценивают сложность технических задач, которые приходится решать разработчикам соединителей для обеспечения их высокого качества. Основной мировой тенденцией в области качества соединителей является постоянный рост основных характеристик — долговечности, срока службы, на­работки на отказ [1]. Рассмотрим немного подробнее основные направления повышения качества приме­няемых в промышленности разъемов: 

  • Разработка и применение современных материа­лов для изготовления соединителей. Целью вне­дрения специализированных серий соединителей на основе новых материалов является повышение срока службы разъемов и улучшение электриче­ских параметров.
  • Использование новых конструктивных решений. Работы по совершенствованию конструкций разъ­емов направлены на улучшение качества соедине­ния контактных пар, а также на разработку мало­габаритных корпусов, отличающихся повышен­ным уровнем защиты от воздействия факторов внешней среды.
  • Совершенствование технологий изготовления соединителей. Подразумевается использование новых научных открытий при проектировании изделий, а также обеспечение стабильности тех­нологических процессов путем внедрения совре­менных автоматизированных линий контроля производства.

Работы по всем направлениям, как правило, про­исходят комплексно с одновременным достижением заданных целей, что приводит к существенному по­вышению качества при одновременном снижении стоимости соединителей.

Надежные электрические соединители находят ши­рокое применение во всех отраслях промышленности, а также в военной, аэрокосмической и телекоммуни­кационной аппаратуре. В России высоковольтные разъемы применяются научно-исследовательскими институтами, разработчиками рентгеновского обо­рудования и спектроскопических систем, а также предприятиями, входящими в состав концерна «Росатом». 

Линейка высоковольтных соединителей GESElectronic& Service

 Компания GESElectronic& Service— немецкий разработчик и производитель высоконадежных разъемов, ориентированных на применение в вы­соковольтных промышленных, научных и меди­цинских установках. Компания ведет свою историю с 1959 года и сейчас предлагает обширный спектр стандартных высокозащищенных одно- и много­контактных разъемов в различных конфигурациях для рабочих напряжений до 100 кВ и токов до 50 А, а также гибридных модульных разъемов, предназна­ченных для соединения, помимо прочего, пневмо-, гидро- и информационных линий [2]. Компания работает в непосредственном контакте с по­требителями, что позволяет постоянно рас­ширять гамму выпускаемой продукции и со­вершенствовать используемые технологии. Для разработчиков высоковольтного обо­рудования доступны техническая докумен­тация, готовые 3D-модели разъемов, а также консультации специалистов компании. Кроме того, по запросу возможно предоставление образцов соединителей для проведения тесто­вых испытаний. Официальным представите­лем GESElectronic& Serviceв России является компания «Квест». 

Итак, почему же стоит обратить внимание на разъемы GESElectronic& Service? Если крат­ко — то компания предлагает широкий ассор­тимент в сочетании с приемлемой стоимостью и традиционным немецким качеством продук­ции. Если же анализировать подробнее, то сле­дует отметить следующие преимущества: 

  • Надежность. Производство надежных высо­ковольтных разъемов связано с бескомпро­миссными требованиями к качеству мате­риалов и соблюдению технологий изготов­ления. Опыт, получаемый на протяжении десятилетий, позволил добиться качества, соответствующего современным мировым стандартам. Вся готовая продукция про­ходит самый жесткий выходной контроль, в ходе которого разъемы многократно со­стыковывают и расстыковывают. Большая часть соединителей способна выдержать до 100 000 циклов соединения/разъедине­ния без ухудшения электрических пара­метров. Для разработчиков доступны как негерметичные, так и герметичные разъемы с уровнем защиты IP65, что обеспечивает надежное функционирование в условиях воздействия агрессивных сред.
  • Малые габариты. В настоящее время раз­мер электронного оборудования постоян­но уменьшается, эта тенденция относится и к разъемам. Серия компактных разъемов MCразработана для малогабаритного обору­дования, работающего в полевых условиях.
  • Малый вес. Алюминиевые корпуса разъе­мов с никелевым напылением отличаются повышенной прочностью и малой массой.
  • Широкий диапазон рабочих температур. Одно из главных условий применимости компонентов в жестких условиях эксплуа­тации — расширенный температурный ди­апазон. При выборе разъема следует учесть, что рабочая температура зависит от характе­ристик материала изолятора. В стандартных одно- и многоконтактных высоковольтных разъемах компании GESElectronic& Serviceиспользуется изоляция из POM(полиокси- метилен) или PTFE(политетрафторэтилен, тефлон). Соответственно разъемы, исполь­зующие POM-изолятор, способны надежно работать при температуре от -20 до +100 °C, а соединители с PTFE— от -50 до +200 °C. Линейка стандартных высоковольтных разъемов, которые выпускает компания GESElectronic& Service, содержит:
  • одноконтактные высоковольтные разъе­мы серий Sи 100 на рабочие напряжения до 100 кВ и токи до 50 А;
  • многоконтактные высоковольтные разъе­мы серий Mи MCна рабочие напряжения до 20 кВ и токи до 30 А;
  • пластиковые самозащелкивающиеся высо­ковольтные разъемы серии VarioProна ра­бочие напряжения до 11 кВ и токи до 13 А;
  • гибридные высоковольтные разъемы с воз­можностью соединения сигнальных, ги- дро- и пневмолиний с рабочим давлением до 8 атмосфер. 

Из аксессуаров широко применяются за­винчивающиеся изолирующие колпачки для защиты от загрязнений. По заказу может быть выполнена кабельная сборка. 

Одноконтактные разъемы

 Одноконтактные высоковольтные разъемы серии Sпредназначены для использования в лабораторном измерительном оборудова­нии и способны выдерживать рабочие напря­жения до 40 кВ и токи до 25 А. В разъемах при­менено стандартное соединение проводников вилки и розетки: штыревой контакт одного соединителя входит в гнездовой цанговый контакт другого и удерживается в нем за счет контактного усилия, создаваемого пружиня­щим гнездом. На корпусе розетки имеется резьба, а вилка снабжена присоединительной гайкой. Производитель гарантирует не менее 100 000 циклов соединения/разъединения без какого-либо ухудшения электрических харак­теристик, если соблюдено требование о мак­симально допустимом моменте при закручи­вании присоединительной гайки на вилке. 

Заделка кабеля (максимальная площадь сече­ния — не более 3 мм2) в разъем осуществляется либо пайкой, либо при помощи обжима, обе­спечивающего простоту и хорошее качество контакта. Обжимные контакты обеспечивают возможность подсоединения проводов раз­личного диаметра, что увеличивает приме­няемость этих разъемов [3]. Монтаж розетки разъема к корпусу приборов осуществляется двумя способами. Некоторые модели имеют квадратные фланцы с четырьмя крепежными отверстиями. У остальных надежное крепле­ние разъема выполняется при помощи гай­ки фиксации с внутренней стороны корпуса устройства. 

Класс защиты IP54 обеспечивает пыле- и брызгозащищенность контактного соеди­нения, а категория воспламеняемости со­ответствует требованиям стандарта UL94 V-0. Контакты разъемов изготавливаются из медного сплава и покрываются серебром или золотом, что исключает окисление и обеспечивает хорошую проводимость. Цельнометаллический корпус из сплава Cu/Znс никелевым напылением и оптимизиро­ванная геометрия гарантируют постоянное сопротивление контакта соединителей этой серии — не более 300 мкОм. Диапазон ра­бочих температур определяется материа­лом изоляции и имеет значения от -20/-50 до +100/+200 °С (для POM/PTFE). 

Все вышесказанное справедливо и для серии 100 за исключением нескольких моментов. Высоковольтные разъемы серии 100 предна­значены для промышленного применения в тяжелых условиях эксплуатации, отличают­ся универсальностью и улучшенными рабо­чими характеристиками (до 100 кВ/25 А либо 60 кВ/25 А). Благодаря применению сальников нескольких типов (от 3 до 14 мм) обеспечива­ется уровень защиты IP58 (масло- и водостой­кость). Использование алюминия в качестве материала корпуса (в отличие от серии S) по­зволило значительно уменьшить массу разъе­мов. Изделия устойчивы к ударным нагрузкам и сильным механическим воздействиям.

Кроме стандартных изделий, под заказ можно получить разъемы с рабочими харак­теристиками до 150 кВ/50 A.

Внешний вид отдельных разъемов серий Sи 100 показан на рис. 1 и 2, а основные рабочие характеристики представлены в таблице 1

s

Рис. 1. Внешний вид разъемов серии S

100

Рис. 2. Внешний вид разъемов серии 100

Серия

Тип разъема

Кол-во

контактов

Материал

изоляции

Рабочее напряжение, кВ

Ток, А

Монтаж разъема на корпус

 

HSB 10

1

POM или PTFE

10

25

Квадратный фланец

 

HSB 20

1

POM или PTFE

20

25

Квадратный фланец

 

HSB 30

1

POM или PTFE

30

25

Квадратный фланец

Серия S

HSB 40

1

POM или PTFE

40

25

Квадратный фланец

HSB 11

1

POM или PTFE

10

25

Гайка

 

HSB 21

1

POM или PTFE

20

25

Гайка

 

HSB 31

1

POM или PTFE

30

25

Гайка

 

SB 10

1

POM или PTFE

10

30

Не предусмотрен

 

SB 110

1

PTFE

10

25

Гайка

 

SB 120

1

POM или PTFE

20

25

Гайка

 

SB 130

1

POM или PTFE

30

25

Гайка

 

SB 150

1

POM или PTFE

50

25

Гайка

 

SB 160

1

POM или PTFE

60

25

Гайка

Серия 100

SB 1100

1

POM

100

25

Гайка

 

SB 115

1

POM или PTFE

10

50

Гайка

 

SB 125

1

POM или PTFE

20

50

Гайка

 

SB 135

1

POM или PTFE

30

50

Гайка

 

SB 155

1

POM или PTFE

50

50

Гайка

 

SB 165

1

POM или PTFE

60

50

Гайка

 

Таблица 1. Основные характеристики одноконтактных разъемов

m mc

Рис. 3. Внешний вид многоконтактных разъемов серий M и MC

Серия

Тип разъема

Кол-во

контактов

Материал

изоляции

Рабочее напряжение, кВ

Ток, А

Монтаж разъема на корпус

Серия M

SB M 215

2 (+3)

POM или PTFE

15

30

Квадратный фланец

SB M 315

3 (+2)

POM или PTFE

15

30

Квадратный фланец

SB M 515

5

POM или PTFE

15

30

Квадратный фланец

SB M 715

7

POM или PTFE

15

30

Квадратный фланец

SB M 915

9

POM или PTFE

15

30

Квадратный фланец

Серия MC

SB MC 207

2

POM

10

13

Квадратный фланец

SB MC 307

3

POM

10

13

Квадратный фланец

SB MC 407

4

POM

10

13

Квадратный фланец

SB MC 507

5

POM

10

13

Квадратный фланец

SB MC 520

5

PTFE

20

13

Квадратный фланец

 
Таблица 2. Основные характеристики многоконтактных разъемов

 

Многоконтактные разъемы

 

Линейка высоковольтных многоконтакт­ных разъемов GESElectronic& Serviceпред­ставлена двумя семействами. Серия Mразра­ботана для использования в электрических цепях с номинальным напряжением посто­янного тока до 15 кВ/30 Aи широко приме­няется в лабораторном, медицинском, изме­рительном и тестовом оборудовании, а так­же в промышленных установках. Каждый разъем может содержать от двух до девяти 2,7-мм медных контактов с серебряным на­пылением. Конструктивно разъемы выпу­скаются в прочных герметичных алюми­ниевых корпусах, покрытых слоем никеля. Обе части (установочная и кабельная) могут быть сконфигурированы как вилка или ро­зетка, при этом производитель гарантирует до 100 000 циклов соединения/разъединения. Для защиты от электромагнитного излуче­ния применяется специальный уплотнитель. По требованиям заказчика кабельные гнезда могут быть угловыми, а также добавлены до­полнительные контакты для обеспечения за­земления или соединения цепи схемы контура безопасности.

Высоковольтные многоконтактные разъе­мы серии М обеспечивают защиту от воспла­меняемости в соответствии с требованиями стандарта UL94-HB, а изолирующие втулки изготавливаются из полиформальдегида или фторопласта, так же как и у одноконтакт­ных разъемов. Степень защиты от внешних воздействий IP65 обеспечивает стабильную и безопасную работу даже в крайне неблаго­приятных условиях, в том числе при воздей­ствии агрессивных сред.

Новое поколение многоконтактных разъ­емов MCотличается от предыдущего вы­соким уровнем механической надежности, более компактными габаритными разме­рами и меньшим весом, что видно из наи­менования (буква Cозначает compact). Соединители этой серии содержат от двух до пяти контактов, рассчитанных на ра­бочее напряжение до 20 кВ и ток до 13 А. Запрессовка провода различного диаме­тра в контакт выполняется путем обжатия и припайки. Без ухудшения электрического контакта гарантируется 500 циклов соеди­нения/разъединения. В остальном рабочие характеристики практически полностью со­впадают с серией M.

Внешний вид многоконтактных разъемов изображен на рис. 3, а основные характери­стики приведены в таблице 2.

Разъемы серии VarioPro

 

Разъемы серии VarioPro— это высоко­вольтные разъемы, осуществляющие соеди­нение кабель-кабель и рассчитанные на на­пряжение от 8,5 до 11 кВ при постоянном токе до 13 А. Серия VarioProобеспечивает отличную функциональность и гибкость при минимально необходимом пространстве для размещения разъемов, позволяет комбини­ровать от одного до трех контактов и отличается простотой обслуживания и высочайшим уровнем безопасности.

Основная область применения этих разъе­мов — медицинское, измерительное и испыта­тельное оборудование, а также аналитические и лабораторные приборы, такие как лазерные установки, стереометры, кристаллографы и т. д. Соединители этой серии изготавлива­ются в негерметичном исполнении, уровень защиты — IP20, защита от воспламеняемости соответствует стандарту UL94-HB. Каждый разъем обеспечивает до 100 000 циклов соеди­нений/разъединений, при этом сопротивле­ние контакта не превышает 5 мОм.

Основные характеристики различных разъ­емов серии VarioProпредставлены в таблице 3, а внешний вид показан на рис. 4.

Комбинированные разъемы

Комбинированные разъемы становятся в последнее время все более популярными. Гибридные разъемы специально разработаны для применения в экстремальных погодных условиях и позволяют комбинировать пода­чу питания, высокого напряжения, пневма­тических магистралей, оптико-волоконных линий, Ethernet, сигналов данных и контроля в одном корпусе (рис. 5). Различные комби­нации встраиваемых модулей обеспечивают высокую гибкость применения, простоту об­служивания, а также экономят занимаемое пространство. Главные сферы применения такого системного разъема — роботизирован­ные системы, контрольные панели, устрой­ства автоматизированной сварки, а также раз­нообразные промышленные установки.

Контактная группа формируется разработ­чиком исходя из определенной задачи. Выбор компонентов разъема начинается с подбора модульных вставок, при этом учитываются требования по количеству полюсов, нагру­зочной способности контактов (в том числе и по минимальным коммутируемым токам и напряжениям) и габаритам конечного разъема.

Доступные в настоящее время модульные вставки изображены на рис. 6, а их характе­ристики представлены в таблице 4.

Высоковольтные модули

Модуль

Тип

Кол-во

контактов

Тестовое напряжение, кВ

Рабочее напряжение, кВ

Ток, А

Количество циклов соединения/ разъединения

HiPro

SB HP

2

23

 

30

>500

PTFE

SB PTFE

2

23

 

30

>100000

PTFE

SB PTFE

1

23

 

30

>100000

Пневмомодули

Модуль

Тип

Кол-во

контактов

Тестовое давление, бар

Рабочее давление, бар

Электрические

параметры

Количество циклов соединения/ разъединения

AirLiquid

SB AL

2

10

8

 

>5000

AirLiquid

SB AL

1

10

8

 

>5000

AirLectric

SB Ale

1+2

10

8

630 В/40 А

>500

Модули передачи данных

Модуль

Тип

Кол-во

контактов

Способ

передачи

Скорость передачи данных, Гбит/с

Количество циклов соединения/разъединения

RJ45

SB RJ45

4+8

Ethernet/USB

0,1

>500

SC

SB SC

3

Оптоволокно

1-1000

>500

Модули сигнальных цепей

Модуль

Тип

Кол-во

контактов

Тестовое напряжение, В

Ток, А

Количество циклов соединения/разъединения

3-полюсный

SB 3P

3

630

40

>500

5-полюсный

SB 5P

5

400

30

>500

10-полюсный

SB 10P

10

250

12

>500

20-полюсный

SB 20P

20

63

5

>500

Коаксиальный

SB KX

3

250

 

>500

 

Таблица 4. Характеристики модульных вставок

Затем модули, выбранные для конкретного применения, устанавливаются в специальные каркасы (рис. 7) пяти различных типоразме­ров. Компоненты одного типоразмера совме­стимы между собой. В зависимости от раз­меров каркасов можно объединить от двух до семи модульных вставок различного на­значения.

Следующим шагом является подбор корпуса разъема. Алюминиевые корпуса, выполненные с большим запасом механической прочности, защищают контактные группы разъемов при работе в тяжелых условиях эксплуатации. Продуманная конструкция и применение со­временных материалов позволили достичь класса защиты IP65 (полная защита от про­никновения пыли и брызг воды) при приме­нении соответствующих кабель-вводов. Все корпуса разъемов допускают установку в них как вилочных, так и розеточных контактных

Таблица 3. Основные характеристики разъемов серии VarioPro

Тип разъема

Кол-во контактов

Материал изоляции

Рабочее напряжение, кВ

Ток, А

VP1 POM

1

POM

8,5

13

VP1 DF1

1

POM

8,5

13

VP1 DF2

2

POM

11

13

VP1 H2

3

POM

11

13

VP1 H3

3

POM

11

13

VP2 PTFE

1

PTFE

8,5

13

VarioPro

Рис. 4. Внешний вид разъемов серии VarioPro
gib
Рис. 5. Внешний вид гибридных разъемов
mod gib
Рис. 6. Модульные вставки для формирования гибридных разъемов
kar
Рис. 7. Каркасы для установки модулей
korpus
Рис. 8. Корпуса гибридных разъемов
example
Рис. 9. Примеры популярных модульных разъемов
 

Наиболее популярные гибридные разъемы GESElectronic& Serviceпоставляются как единое скомплектованное изделие. Примеры подобных решений приведены на рис. 9. Они разработаны с учетом специализированных требований и предназначены для определен­ных сфер применения, при этом обладают со­вместимостью с разъемами других крупных производителей. Например, в области аппа­ратуры для передачи энергии обеспечивается полная совместимость с продукцией компа­ний AmphenolC146M, HyptertacHYM, LappContactEPICMC, Thomas & BettsPos-E-KonM, WaltherWerkeProconMO, WeidmullerConCeptи WielandrevosFLEX.

Комбинированный разъем (рис. 9а), со­стоящий из трех пневмомодулей, силовых контактов и оптоволоконных линий, нашел применение в робототехнике. Механическое управление осуществляется по пневмомаги­стралям, передача сигналов управления и из­мерения — по оптоволокну, а на силовые кон­такты подается постоянное либо переменное напряжение питания. Разъем, изображенный на рис. 9б, предназначен для работы в составе аппаратуры тестирования высоковольтных источников питания и содержит пять моду­лей для подключения высокого напряжения и коннекторы для связи по Ethernet.

Заключение

На основании вышеизложенного можно сде­лать вывод, что высоковольтные разъемы ком­пании GESElectronic& Serviceнайдут широкое применение в устройствах, где требуются без­оговорочная надежность и безотказность рабо­ты. Особенно целесообразно их использование в аппаратуре с большим сроком службы. Конечно, стоимость соединителей европейских компаний выше, чем у аналогичной продукции азиатских производителей. Но для сложных многофункциональных устройств, особенно работающих в сфере ядерных технологий, эко­номия на разъемах может привести к печаль­ным последствиям.

Литература

  1. Пивоваров В. Анализ мировых тенденций развития и проблем производства электри­ческих соединителей // Компоненты и тех­нологии. 2007. № 2.
  2. Официальный сайт компании GES Electronic & Service. http://www.ges-electronic.com.
  3. Джуринский К. Зарубежные радиочастот­ные соединители. Ключ к информации о соединителях // Компоненты и техноло­гии. 2008. № 11.
дизайн
Компания Сансити